JP2008039635A - Viscoelasticity measuring instrument - Google Patents

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Takemi Hasegawa
健美 長谷川
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a viscoelasticity measuring instrument for measuring the elasticity and viscosity of a measuring target easy to move and easy to receive heat damage in a non-contact and non-invasive state. <P>SOLUTION: The viscoelasticity measuring instrument is equipped with an exciting laser beam source 10 for emitting an exciting laser beam, an optical system 20 for condensing an exciting beam to a measuring target 30 to capture the scattering light emitted from the measuring target, light condensing position moving means 201 and 202 for moving a condensing position, a condensing position measuring means 50 for measuring the light condensing position, a spectrum analyzer 40 for photoelectrically converting the captured scattering light and measuring the spectrum of the scattering light and a calculator 407 for calculating Brilluane frequency shift and Brilluane line width from the spectrum. The scattering light is a periodic light pulse row and detected in synchronous relation of the optical pulse row. If this instrument is adapted to a living body, a health state can be diagnosed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱損傷を受けやすい測定対象の弾性および粘性を非接触、非侵襲で測定する装置に関し、例えば、生体の弾性および粘性に基づいて健康状態等を診断することが可能な弾性粘性測定装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for measuring the elasticity and viscosity of a measurement object susceptible to thermal damage in a non-contact and non-invasive manner, for example, elastic viscosity measurement capable of diagnosing a health condition based on the elasticity and viscosity of a living body. Relates to the device.

弾性・粘性の診断技術としては、超音波エラストグラフィ、MRエラストグラフィ、光音響ビスコエラストメトリ、OCTエラストグラフィなどの従来技術が知られている。しかし、超音波エラストグラフィにおいては、超音波探触子または超音波伝達媒質(水やグリースなど)を測定対象物に接触させる必要があった。MRエラストグラフィにおいては、圧力波を励振するトランスデューサを測定対象物に接触させる必要があった。光音響ビスコエラストメトリにおいては、光音響波を測定するために圧電トランスデューサを測定対象物に接触させる必要があった。OCTエラストグラフィにおいても、測定対象物に応力を与える手段を接触させる必要があった。   Conventional techniques such as ultrasonic elastography, MR elastography, photoacoustic viscoelastometry, and OCT elastography are known as elastic / viscous diagnostic techniques. However, in ultrasonic elastography, it is necessary to bring an ultrasonic probe or an ultrasonic transmission medium (such as water or grease) into contact with an object to be measured. In MR elastography, it is necessary to bring a transducer for exciting a pressure wave into contact with an object to be measured. In photoacoustic viscoelastometry, it is necessary to bring a piezoelectric transducer into contact with a measurement object in order to measure a photoacoustic wave. Also in the OCT elastography, it is necessary to contact a means for applying stress to the measurement object.

一方、弾性・粘性を非接触で測定する技術としてはブリルアン分光が知られている。ブリルアン分光は、測定対象物に励起光を照射し、発生したブリルアン散乱光のスペクトルを解析する測定手法である。生体から切離した組織標本を対象としたブリルアン分光は公知であり、例えば、非特許文献1(N. Berovic, et al, Eur. Biophys. J. Vol. 17, pp. 69-74 (1989))、非特許文献2(J. Randall, et al., Proc. R. Soc. Lond. Vol. B214, pp. 449-470 (1982))に開示されている。   On the other hand, Brillouin spectroscopy is known as a technique for measuring elasticity and viscosity without contact. Brillouin spectroscopy is a measurement technique in which excitation light is irradiated onto a measurement object and the spectrum of the generated Brillouin scattered light is analyzed. Brillouin spectroscopy for tissue specimens separated from a living body is known, for example, Non-Patent Document 1 (N. Berovic, et al, Eur. Biophys. J. Vol. 17, pp. 69-74 (1989)). Non-Patent Document 2 (J. Randall, et al., Proc. R. Soc. Lond. Vol. B214, pp. 449-470 (1982)).

N. Berovic, et al, Eur. Biophys. J. Vol. 17, pp. 69-74 (1989)N. Berovic, et al, Eur. Biophys. J. Vol. 17, pp. 69-74 (1989) J. Randall, et al., Proc. R. Soc. Lond. Vol. B214, pp. 449-470 (1982)J. Randall, et al., Proc. R. Soc. Lond. Vol. B214, pp. 449-470 (1982)

ブリルアン散乱は物質内の弾性波による光散乱であり、励起光の光周波数をνとしてν+fおよびν−fの周波数を持つ散乱光が生じ、それぞれアンチストークス光およびストークス光と呼ばれる。周波数シフト量fはブリルアン周波数シフトと呼ばれ、次式で与えられる。 Brillouin scattering is light scattering by elastic waves in a substance. Scattered light having frequencies of ν + f B and ν−f B is generated with the light frequency of excitation light being ν, and they are called anti-Stokes light and Stokes light, respectively. The frequency shift amount f B is called Brillouin frequency shift and is given by the following equation.

ここでλは励起光波長、nは励起光波長での測定対象の屈折率、θは散乱角である。また、vは弾性波の音速であり、次式で与えられる。 Here, λ is the excitation light wavelength, n is the refractive index of the measurement object at the excitation light wavelength, and θ is the scattering angle. Further, v a is the acoustic velocity of the acoustic wave is given by the following equation.

ここでc11は弾性行列の11成分であり、ρは媒質密度である。また、散乱光の線幅Δfは、次式で与えられる。 Here, c 11 is 11 components of the elastic matrix, and ρ 0 is the medium density. The scattered light line width Δf B is given by the following equation.

ここでηおよびηはそれぞれずり粘性およびバルク粘性である。このように、ブリルアン散乱光のストークス光またはアンチストークス光を測定し、ブリルアン周波数シフトおよび線幅を測定することにより、測定対象の弾性および粘性に関する情報が得られる。 Here, η S and η b are shear viscosity and bulk viscosity, respectively. In this way, by measuring the Stokes light or anti-Stokes light of the Brillouin scattered light and measuring the Brillouin frequency shift and the line width, information on the elasticity and viscosity of the measurement object can be obtained.

しかし、生体そのものを対象としたブリルアン分光は行われていなかった。これは、従来のブリルアン分光では、測定時間が数分と長かったことや、励起光のパワーが高かったことなどが原因である。
そこで、本発明では生体そのものが対象であっても分析可能なブリルアン分光装置を開示する。
However, Brillouin spectroscopy was not performed on the living body itself. This is because, in conventional Brillouin spectroscopy, the measurement time is as long as several minutes, and the power of the excitation light is high.
Therefore, the present invention discloses a Brillouin spectrometer capable of analyzing even a living body itself.

すなわち、本発明が解決しようとする課題は、動いたり、熱損傷を受けやすい測定対象の弾性および粘性を非接触、非侵襲で測定する測定装置、および、生体の弾性および粘性に基づいて健康状態を診断する診断装置を実現すること、特に、眼底血管の弾性を診断することにより、動脈硬化症や脳梗塞の早期診断を実現することである。   That is, the problem to be solved by the present invention is that a measuring device that measures the elasticity and viscosity of a measurement object that is susceptible to movement or thermal damage in a non-contact and non-invasive manner, and a health condition based on the elasticity and viscosity of a living body To realize an early diagnosis of arteriosclerosis and cerebral infarction by diagnosing the elasticity of the fundus blood vessel.

以上の目的を達成するために、本発明に係る測定装置は、
励起光を発生させる励起レーザ光源と、
測定対象の集光位置に励起光を集光させると共に前記測定対象で発生した散乱光を捕捉する光学系と、
捕捉された前記散乱光のスペクトルを測定すると共に前記スペクトルからブリルアン周波数シフト又はブリルアン線幅の少なくとも一方を算出するスペクトル解析手段とを備えた弾性粘性測定装置であって、
前記励起光は周期的な光パルス列であり、前記散乱光は前記光パルス列に同期して検出されることを特徴とする(請求項1)。
前記励起光の集光位置を測定する集光位置測定手段をさらに備えることが好ましい(請求項2)。
In order to achieve the above object, a measuring apparatus according to the present invention comprises:
An excitation laser light source for generating excitation light;
An optical system that collects the excitation light at the collection position of the measurement target and captures the scattered light generated in the measurement target;
An elastic viscosity measuring device comprising a spectrum analyzing means for measuring a spectrum of the scattered light that has been captured and calculating at least one of a Brillouin frequency shift or a Brillouin line width from the spectrum,
The excitation light is a periodic optical pulse train, and the scattered light is detected in synchronization with the optical pulse train (claim 1).
It is preferable to further include a condensing position measuring means for measuring the condensing position of the excitation light.

前記スペクトル解析手段は、前記散乱光のスペクトルのパワーを積算して前記集光位置ごとに異なる記憶領域に記憶する記憶手段を有し、
前記集光位置測定手段は、測定対象の動きによる集光位置の変化を測定するものであり、
前記集光位置測定手段により測定された集光位置に対応した前記記憶手段の記憶領域に、測定された散乱光のスペクトルのパワーを積算して記憶することが好ましい(請求項3)。
The spectrum analysis means has storage means for accumulating the power of the spectrum of the scattered light and storing it in a different storage area for each condensing position,
The condensing position measuring means measures a change in the condensing position due to the movement of the measurement object,
It is preferable that the measured spectrum power of the scattered light is accumulated and stored in the storage area of the storage unit corresponding to the condensing position measured by the condensing position measuring unit.

複数の集光位置からの散乱光をほぼ同時に検出する弾性粘性測定装置であって、
前記光学系は、前記励起光を複数の集光位置に時分割で集光させ、
前記スペクトル解析手段は、各々の集光位置からの散乱光のスペクトルのパワーを各々積算することが好ましい(請求項4)。
前記集光位置における励起光のスポット半径が3μm以下であることが好ましい(請求項5)。
An elastic viscosity measuring device that detects scattered light from a plurality of condensing positions almost simultaneously,
The optical system condenses the excitation light at a plurality of condensing positions in a time-sharing manner,
It is preferable that the spectrum analysis unit integrates the spectrum power of the scattered light from each condensing position.
It is preferable that a spot radius of the excitation light at the condensing position is 3 μm or less.

前記測定対象からの散乱光の波面を測定する波面測定手段と、
前記励起光の波面を調整する補償光学系とを備え、
前記波面測定手段により測定される波面が平坦となるように前記補償光学系を制御することが好ましい(請求項6)。
Wavefront measuring means for measuring the wavefront of scattered light from the measurement object;
An adaptive optics system for adjusting the wavefront of the excitation light,
It is preferable to control the adaptive optics system so that the wavefront measured by the wavefront measuring unit is flat.

前記測定対象の画像を撮影すると共に、前記励起光の集光位置を測定する撮像手段と、
前記画像から前記測定対象の特徴点を抽出する画像処理手段とを有し、
前記特徴点に基づき集光位置を移動させることが好ましい(請求項7)。
An imaging means for taking an image of the measurement object and measuring a condensing position of the excitation light;
Image processing means for extracting feature points of the measurement object from the image,
It is preferable to move the condensing position based on the feature points.

前記光学系と前記測定対象の間の光軸方向距離を測定する距離測定手段と、
前記散乱光のパワーの光軸方向分布から深さ方向の基準点を抽出する計算機を備えることが好ましい(請求項8)。
Distance measuring means for measuring a distance in the optical axis direction between the optical system and the measurement object;
It is preferable to provide a computer that extracts a reference point in the depth direction from the distribution of the scattered light power in the optical axis direction.

前記測定対象は眼底血管であり、
前記眼底血管からの散乱光スペクトルのブリルアン周波数シフトまたはブリルアン線幅の少なくとも一方を健常者の測定値と比較する手段を有することが好ましい(請求項9)。
The measurement object is a fundus blood vessel,
It is preferable to have means for comparing at least one of the Brillouin frequency shift or the Brillouin line width of the scattered light spectrum from the fundus blood vessel with the measurement value of a healthy person (claim 9).

前記励起光は、繰り返し周波数をf[kHz]、パルス幅をt[ns]、波長をλ[nm]、平均パワーをP[dBm]として、
f>50
t>0.28
700<λ<1100
P<0.02(λ−700)−1.6
P<5.4
の全ての条件を満たすことが好ましい(請求項10)。
The excitation light has a repetition frequency of f [kHz], a pulse width of t [ns], a wavelength of λ [nm], and an average power of P [dBm].
f> 50
t> 0.28
700 <λ <1100
P <0.02 (λ−700) −1.6
P <5.4
It is preferable that all the conditions are satisfied (claim 10).

本発明は、以上のような構成にすることにより、動いたり、光損傷を受けやすい測定対象でも、弾性および粘性を非接触、非侵襲で効果的に測定することができる。特に、測定対象が生体の眼底でも、測定対象を熱損傷させる危険がなく眼底血管の弾性を測定でき、動脈硬化症や脳梗塞の早期診断を実現することができる。   By adopting the above-described configuration, the present invention can effectively measure elasticity and viscosity in a non-contact and non-invasive manner even for a measurement object that is susceptible to movement or optical damage. In particular, even if the measurement target is the fundus of a living body, the elasticity of the fundus blood vessel can be measured without risk of thermal damage to the measurement target, and early diagnosis of arteriosclerosis and cerebral infarction can be realized.

特に、周期的な光パルス列(請求項1)を用いることにより、連続的なレーザ照射に比べて照射エネルギーの総量が小さくなり、レーザ光による測定対象への悪影響を軽減できるとともに、各々の光パルスの照射強度(パワー)を大きくできるので十分なSN比を確保できる。人体に対するレーザ光の最大許容露光量(MPE)はJIS C6802で規定されているが、励起光を周期的な光パルス列にすることにより、前記最大許容露光量(MPE)の範囲内で効果的にブリルアン散乱光の測定ができるようになる。さらに、励起光を請求項10に記載された光パルス列にすることにより、前記最大許容露光量(MPE)の範囲内で最も効果的にブリルアン散乱光の測定ができる。
また、集光位置測定手段(請求項2)を設けることにより、生体のような不規則な形状の測定対象に対しても、集光位置を目的の位置に正確に移動できる。従来の組織標本の場合は、予め決められた位置に測定対象が配置されるため光学系座標と測定対象座標とが一致しており、集光位置測定手段が無くても集光位置を目的の場所に移動できた。本発明では、測定対象における集光位置を求めるための集光位置測定手段を有しているため、生体のような光学系座標と測定対象座標が一致しない測定対象でもブリルアン分光の測定ができるようになった。
さらに、集光位置測定手段(請求項2)により、生体が動いて集光位置がずれても、集光位置のずれを検出して測定データを補正できる。従来は、動くことの無い組織標本などのブリルアン分光しか測定できなかったが、本発明では集光位置測定手段が集光位置のずれを検出するので、生体のような動く測定対象でもブリルアン分光の測定ができるようになった。
In particular, by using a periodic optical pulse train (Claim 1), the total amount of irradiation energy can be reduced compared to continuous laser irradiation, and the adverse effects of the laser beam on the measurement target can be reduced, and each optical pulse can be reduced. Since the irradiation intensity (power) can be increased, a sufficient SN ratio can be ensured. The maximum allowable exposure amount (MPE) of the laser beam for the human body is defined in JIS C6802, but by making the excitation light a periodic optical pulse train, it is effective within the range of the maximum allowable exposure amount (MPE). Brillouin scattered light can be measured. Furthermore, when the excitation light is an optical pulse train described in claim 10, Brillouin scattered light can be measured most effectively within the range of the maximum permissible exposure (MPE).
Further, by providing the condensing position measuring means (Claim 2), the condensing position can be accurately moved to the target position even for an irregularly shaped measuring object such as a living body. In the case of a conventional tissue specimen, since the measurement target is arranged at a predetermined position, the optical system coordinates coincide with the measurement target coordinates. I was able to move to the place. In the present invention, since the condensing position measuring means for obtaining the condensing position in the measurement object is provided, it is possible to perform Brillouin spectroscopy measurement even on a measurement object whose optical system coordinates and measurement object coordinates do not match, such as a living body. Became.
Furthermore, even if the living body moves and the light collecting position is shifted by the light collecting position measuring means (Claim 2), the measurement data can be corrected by detecting the shift of the light collecting position. Conventionally, only Brillouin spectroscopy such as a tissue specimen that does not move can be measured. However, in the present invention, since the focusing position measuring means detects the deviation of the focusing position, even a measurement object such as a living body can perform Brillouin spectroscopy. Measurement is now possible.

また、集光位置を一点にしその部分の散乱光スペクトルを積算するとその部分のレーザ露光時間が長くなってしまい測定対象に悪影響を及ぼすが、励起光を複数の集光位置に時分割で集光させ、各々の集光位置からの散乱光のスペクトルのパワーを各々積算する(請求項4)ことにより、集光位置を複数にして複数の集光位置に交互に集光することができるようになり、各集光位置ごとのレーザ露光量(単位時間当たり)が小さくなるので、測定対象への悪影響を軽減できる。
また、波面測定手段及び補償光学系(請求項6)により、水晶体や光学系の収差によって集光位置におけるスポット径が大きくなることを抑制する。レーザのスポット径を小さくすることで、眼底の細動脈などの小さな測定対象でも正確にブリルアン散乱を測定できる。
また、眼底血管からの散乱光スペクトルのブリルアン周波数シフト又はブリルアン線幅の少なくとも一方を健常者の測定値と比較する(請求項9)ことで、血管の弾性の測定ができるようになり、循環器疾患および脳血管性認知症などの早期診断が可能になる。
Also, integrating the scattered light spectrum of that part with the condensing position as one point lengthens the laser exposure time of that part and adversely affects the measurement object, but condenses the excitation light at multiple condensing positions in a time-sharing manner. By integrating each of the spectrum power of the scattered light from each condensing position (claim 4), a plurality of condensing positions can be made to be condensed alternately at a plurality of condensing positions. Thus, since the laser exposure amount (per unit time) for each condensing position is reduced, adverse effects on the measurement target can be reduced.
Further, the wavefront measuring means and the compensation optical system (Claim 6) suppress an increase in the spot diameter at the condensing position due to the aberration of the crystalline lens or the optical system. By reducing the spot diameter of the laser, Brillouin scattering can be accurately measured even for a small measurement object such as a fundus arteriole.
Further, by comparing at least one of the Brillouin frequency shift or the Brillouin line width of the scattered light spectrum from the fundus blood vessel with the measurement value of a healthy person (claim 9), it becomes possible to measure the elasticity of the blood vessel. Early diagnosis of diseases and cerebrovascular dementia becomes possible.

以下、本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。
図1は本例の弾性粘性測定装置の構成を簡略して示し、図中、10はレーザ光源、20は光学系、30は測定対象、40はスペクトル解析器(スペクトル解析手段)、50は照射位置測定器(集光位置測定手段)、60は補償光学系、70はディスプレイ、201a,201bは可動鏡(集光位置移動手段)、202は可動レンズ(集光位置移動手段)、404は記憶装置(記憶手段)、407,505は計算機、501はカメラ(撮像手段)、503はレーザ測距器(距離測定手段)、602は波面センサ(波面測定手段)をそれぞれ表す。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a simplified configuration of the elastic-viscosity measuring apparatus of this example, in which 10 is a laser light source, 20 is an optical system, 30 is an object to be measured, 40 is a spectrum analyzer (spectrum analysis means), and 50 is irradiated. Position measuring device (condensing position measuring means), 60 is an adaptive optical system, 70 is a display, 201a and 201b are movable mirrors (condensing position moving means), 202 is a movable lens (condensing position moving means), and 404 is a memory 407 and 505 are computers, 501 is a camera (imaging means), 503 is a laser range finder (distance measuring means), and 602 is a wavefront sensor (wavefront measuring means).

レーザ光源10は励起光101のパルス列を出射する。励起光101は光学系20を経由して測定対象30に照射される。照射位置(集光位置)は照射位置測定器50によって制御・測定され、該測定値はアドレス信号406aとして記憶装置404に記憶される。
測定対象30では散乱光が発生する。θ=180度の方向に後方散乱された散乱光は光学系20を経由してスペクトル解析器40に入射し、スペクトル解析器40はブリルアン周波数シフトと線幅を測定する。該測定値は、照射位置(アドレス信号406b)と共に記憶装置404に記録される。
The laser light source 10 emits a pulse train of the excitation light 101. The excitation light 101 is applied to the measurement object 30 via the optical system 20. The irradiation position (condensing position) is controlled and measured by the irradiation position measuring instrument 50, and the measured value is stored in the storage device 404 as an address signal 406a.
Scattered light is generated in the measurement object 30. The scattered light backscattered in the direction of θ = 180 degrees enters the spectrum analyzer 40 via the optical system 20, and the spectrum analyzer 40 measures the Brillouin frequency shift and the line width. The measured value is recorded in the storage device 404 together with the irradiation position (address signal 406b).

レーザ光源10はパルス幅τ、繰り返し周波数f、ピークパワーPのパルス光を出射する。これらのパルスパラメータは、測定対象の光損傷が生じない範囲で測定のSN比が最良となるように選ばれることが望ましい。本発明は、このようなパルスパラメータの範囲を以下に開示する。 The laser light source 10 emits pulsed light having a pulse width τ, a repetition frequency f r , and a peak power P. These pulse parameters are desirably selected so that the S / N ratio of the measurement is the best within a range where the optical damage of the measurement target does not occur. The present invention discloses the range of such pulse parameters as follows.

まず、生体組織への照射が許容される光パワーに関しては、種々の実測結果に基づく指針として、JIS C6802が知られている。その内容を抜粋して図2に示す。図2は、目に入射するレーザ光の最大許容露光量(MPE)をまとめた表である。パワーの値は直径7mmの虹彩に入射するパワーの値であり、レーザ光の広がり角は視角よりも小さく、実質全てのレーザ光パワーが虹彩に入射する場合が想定されている。
JIS C6802に開示されているように、パルス幅(露光時間)をτ、繰り返し周波数をf、パルス数をNとして、
(要求1)単一パルスのエネルギーが露光時間τにおけるMPE以下、
(要求2)N個のパルスの合計エネルギーがパルス列の持続時間N/fにおけるMPE以下、
(要求3)単一パルスのエネルギーをN0.25倍した値が露光時間τにおけるMPE以下、
の3項目を満たすことが必要である。
First, JIS C6802 is known as a guideline based on various measurement results regarding optical power that is allowed to be irradiated on a living tissue. The contents are extracted and shown in FIG. FIG. 2 is a table summarizing the maximum allowable exposure amount (MPE) of laser light incident on the eye. The value of power is the value of power incident on an iris having a diameter of 7 mm. The spread angle of the laser beam is smaller than the viewing angle, and it is assumed that substantially all of the laser beam power is incident on the iris.
As disclosed in JIS C6802, assuming that the pulse width (exposure time) is τ, the repetition frequency is f r , and the number of pulses is N,
(Requirement 1) The energy of a single pulse is less than or equal to MPE at the exposure time τ,
(Request 2) MPE in the N duration N / f r of total energy pulse train of pulses below,
(Request 3) A value obtained by multiplying the energy of a single pulse by N 0.25 is equal to or less than MPE at the exposure time τ.
It is necessary to satisfy the following three items.

一方、本発明では、後述するように、ブリルアン散乱光のパルス列の繰り返し周波数に同期する同期信号102を同期検出器403で検出し、ブリルアン周波数シフトと線幅の測定値と共にデータ信号405を得て、記憶装置404に記憶する。そのため、励起光の平均パワーをP、ブリルアン散乱の反射率をR、光学系の損失をa、光電変換効率をη、光周波数をν、プランク定数をh、電子電荷をeとすると、信号電流iは、 On the other hand, in the present invention, as will be described later, the synchronization signal 102 synchronized with the repetition frequency of the pulse train of the Brillouin scattered light is detected by the synchronization detector 403, and the data signal 405 is obtained together with the measured values of the Brillouin frequency shift and the line width. And stored in the storage device 404. Therefore, if the average power of the pumping light is P a , the Brillouin scattering reflectance is R, the optical system loss is a, the photoelectric conversion efficiency is η, the optical frequency is ν, the Planck constant is h, and the electronic charge is e, The current i S is

となる。一方、ノイズに関してはショットノイズが支配的であり、同期検出の帯域幅をΔfとするとノイズ電流iは、 It becomes. On the other hand, shot noise is dominant with respect to noise, and if the bandwidth of synchronization detection is Δf, the noise current i N is

となる。従って、SN比は、 It becomes. Therefore, the signal-to-noise ratio is

となる。すなわち、励起光の平均パワーに比例してSN比が改善される。 It becomes. That is, the S / N ratio is improved in proportion to the average power of the excitation light.

図3は許容励起光パワーの、パルス幅および繰り返し周波数に対する依存性を示す。図3(a)は波長800nm、図3(b)は1060nmにおける依存性であり、共にパルス列の持続時間は典型的な測定時間である1秒と仮定している。
図3に示すように、低い繰り返し周波数では許容励起光パワーの低下(従ってSN比の低下)が生じる。そのため、繰り返し周波数は10kHz以上が好ましく、それによって許容パワーの低下を5dB以下に抑えることができる。さらに、繰り返し周波数は50kHz以上が好ましく、それによって許容パワーの低下を避けることができる。なお、繰り返し周波数と共に許容パワーが増大する低周波領域では前記(要求3)が制限要因であり、繰り返し周波数に対して許容パワーが一定となる高周波領域では前記(要求2)が制限要因となる。
FIG. 3 shows the dependence of the allowable pumping light power on the pulse width and the repetition frequency. FIG. 3A shows the dependence at a wavelength of 800 nm and FIG. 3B shows the dependence at 1060 nm, and both assume that the duration of the pulse train is 1 second, which is a typical measurement time.
As shown in FIG. 3, at the low repetition frequency, the allowable pumping light power decreases (and therefore the SN ratio decreases). For this reason, the repetition frequency is preferably 10 kHz or more, whereby the reduction in allowable power can be suppressed to 5 dB or less. Furthermore, the repetition frequency is preferably 50 kHz or more, so that a reduction in allowable power can be avoided. Note that (Requirement 3) is a limiting factor in the low frequency region where the allowable power increases with the repetition frequency, and (Requirement 2) is a limiting factor in the high frequency region where the allowable power is constant with respect to the repetition frequency.

また、図4は繰り返し周波数を50kHz以上とした場合の許容パワーPの波長λに対する関係を示す。許容パワーPは次式で表される。   FIG. 4 shows the relationship between the allowable power P and the wavelength λ when the repetition frequency is 50 kHz or more. The allowable power P is expressed by the following equation.

後述のように、本発明においては励起光の波長は700〜1100nmが好ましいが、その中でも特に波長1050nm〜1100nmは許容パワーが高く生体への危険度が相対的に低いので好ましい。   As will be described later, in the present invention, the wavelength of the excitation light is preferably 700 to 1100 nm. Among them, the wavelength of 1050 nm to 1100 nm is particularly preferable because the allowable power is high and the risk to the living body is relatively low.

一方、実現可能なパルス幅τは繰り返し周波数fの増大と共に1/fに従って低下するが、過度に小さなパルス幅は、ブリルアン散乱光のスペクトルを拡散させるので好ましくない。スペクトル拡散が生じるのはパルス幅が測定対象の音響寿命を下回ると生じることが知られている。音響寿命τはブリルアンゲイン線幅Δfによって On the other hand, the pulse width τ achievable decreases as 1 / f r with increasing repetition frequency f r, too small pulse width, since the spread spectrum of the Brillouin scattered light is not preferable. It is known that spread spectrum occurs when the pulse width is below the acoustic lifetime of the object to be measured. The acoustic lifetime τ a is determined by the Brillouin gain line width Δf B

と表される。非特許文献2によれば、ヒトの眼の水晶体辺縁部の組織標本でΔf=0.65GHz、水晶体の核の組織標本でΔf=0.84GHzと報告されている。測定条件は、λ=488nm、n×sin(θ/2)=sin(π/4)である。一方、水晶体の屈折率は約1.41と知られている。従って、本発明のように後方散乱で測定する場合は、前記式[数3]より、 It is expressed. According to Non-Patent Document 2, it is reported that Δf B = 0.65 GHz for a tissue sample of the lens edge of a human eye, and Δf B = 0.84 GHz for a tissue sample of the lens nucleus. The measurement conditions are λ = 488 nm and n × sin (θ / 2) = sin (π / 4). On the other hand, the refractive index of the crystalline lens is known to be about 1.41. Therefore, when measuring by backscattering as in the present invention, from the formula [Equation 3],

と予測されるので、パルス幅τは、 Therefore, the pulse width τ is

を満たすことが好ましい。後述するように、本発明において好ましい波長範囲は700〜1100nmであるので、パルス幅は0.28ns以上とするのが好ましい。
従って、繰り返し周波数fとパルス幅τに関する好ましい範囲は、f>50kHzかつτ>0.28nsかつfτ<1となり、図5のように示される。この範囲のパルスパラメタを用いることにより、光損傷が起らない範囲でSN比を最大化でき、散乱光スペクトル広がりによる周波数精度の低下を防ぐことができる。
It is preferable to satisfy. As will be described later, the preferred wavelength range in the present invention is 700 to 1100 nm, so the pulse width is preferably 0.28 ns or more.
Therefore, preferable ranges for the repetition frequency f r and the pulse width τ are f r > 50 kHz, τ> 0.28 ns, and f r τ <1, which are shown in FIG. By using a pulse parameter in this range, the SN ratio can be maximized in a range where no optical damage occurs, and a decrease in frequency accuracy due to the spread of the scattered light spectrum can be prevented.

本例のように眼底302を測定対象とする場合、励起光101の波長は700〜1100nmが好ましい。700nmより短波長では、網膜色素上皮による光吸収による深達度の低下や、光化学作用による組織傷害が生じうる。1100nmより長波長では、眼房水による光吸収のため眼底血管まで光が十分に到達しない。波長700〜1100nmを用いることにより、これらの問題を避けることができる。   When the fundus 302 is to be measured as in this example, the wavelength of the excitation light 101 is preferably 700 to 1100 nm. When the wavelength is shorter than 700 nm, the depth of penetration due to light absorption by the retinal pigment epithelium and tissue damage due to photochemical action may occur. At wavelengths longer than 1100 nm, light does not reach the fundus blood vessels sufficiently due to light absorption by the aqueous humor. By using a wavelength of 700 to 1100 nm, these problems can be avoided.

レーザ光源10から出射した励起光101は、共焦点光学系を構成するためのレンズ104a,104bとピンホール105を経由して光学系20に入射する。光学系20は可動鏡201a,201bと可動レンズ202によって励起光101のスポット位置(照射位置)を3次元的に調整し、測定対象30に照射する。   Excitation light 101 emitted from the laser light source 10 enters the optical system 20 via lenses 104a and 104b and a pinhole 105 for constituting a confocal optical system. The optical system 20 adjusts the spot position (irradiation position) of the excitation light 101 three-dimensionally with the movable mirrors 201 a and 201 b and the movable lens 202, and irradiates the measurement target 30.

測定対象30は、例えば眼底302の細動脈の動脈壁が好ましく、それによって血管の弾性を診断することができる。高血圧症などの循環器疾患では眼底細動脈の形態変化が生じることが知られているが、多くの血管において弾性の変化は形態変化に先立って生じるため、弾性の診断は循環器疾患の早期の診断に有効である。
例えば、性別や年齢毎に健常者の眼底細動脈のブリルアン周波数シフトまたは線幅の値を正常範囲として測定しておき、被験者における値が正常範囲に属するか否かを計算機407で判定することによって循環器疾患のリスクを診断することができる。
また、認知症の原因の一つとして脳内の細動脈に梗塞ができるラクナ梗塞が知られているが、このとき眼底細動脈でも同様に梗塞が生じる可能性が考えられるため、眼底細動脈の弾性診断は認知症の診断にも有効である。また、細動脈の中の血液を測定対象とすることも好ましく、それによって眼底での血圧を診断することができる。
The measurement object 30 is preferably an arterial wall of an arteriole of the fundus 302, for example, so that the elasticity of the blood vessel can be diagnosed. In cardiovascular arteries such as hypertension, it is known that morphological changes of the fundus arterioles occur, but elasticity changes occur in many blood vessels in advance of morphological changes, so the diagnosis of elasticity is an early stage of cardiovascular disease. It is effective for diagnosis.
For example, by measuring the Brillouin frequency shift or line width value of the fundus arteriole of a healthy person as a normal range for each gender and age, and determining whether the value in the subject belongs to the normal range by the computer 407 The risk of cardiovascular disease can be diagnosed.
In addition, one of the causes of dementia is known as lacunar infarction, which can cause infarction in the arterioles in the brain. Elasticity diagnosis is also effective for the diagnosis of dementia. It is also preferable to use blood in the arteriole as a measurement target, whereby blood pressure in the fundus can be diagnosed.

動脈壁を測定対象とした場合の励起光ビームと測定対象の配置を図6(a)に模式的に示す。図中の101は励起光、111はその励起光のスポット、303は細動脈、304は内腔、305は周囲組織を表す。   FIG. 6A schematically shows the arrangement of the excitation light beam and the measurement object when the artery wall is the measurement object. In the figure, 101 is excitation light, 111 is a spot of the excitation light, 303 is an arteriole, 304 is a lumen, and 305 is surrounding tissue.

励起光101によって照射された測定対象において自然ブリルアン散乱が発生する。自然ブリルアン散乱によって真後ろに後方散乱される光パワーの、励起光パワーに対する比を反射率Rとすると、反射率Rは文献:R. W. Boyd and K. Rzazewski, Phys. Rev. A, Vol. 42, pp. 5514-5521, (1990) によって次式で与えられる。   Natural Brillouin scattering occurs in the measurement object irradiated with the excitation light 101. If the ratio of the light power backscattered by natural Brillouin scattering to the pumping light power is the reflectance R, the reflectance R can be obtained from RW Boyd and K. Rzazewski, Phys. Rev. A, Vol. 42, pp. 5514-5521, (1990) is given by

ここで、gはブリルアンゲイン係数、hはプランクの定数、νは光周波数、Lは相互作用長、Aはビーム断面積である。また、<n>はフォノン数であり、   Here, g is a Brillouin gain coefficient, h is a Planck's constant, ν is an optical frequency, L is an interaction length, and A is a beam cross-sectional area. <N> is the phonon number,

で与えられる。kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。上式より、反射率はビーム断面積に反比例するので、励起光のビームスポット111は小さいほど好ましい。そのため、励起光は0次のガウシアンビームとするのが好ましい。ガウシアンビームのビーム半径w(z)は次式で表される。 Given in. k is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature. From the above equation, the reflectance is inversely proportional to the beam cross-sectional area. For this reason, the excitation light is preferably a zero-order Gaussian beam. The beam radius w (z) of the Gaussian beam is expressed by the following equation.

ここでzはスポット位置を原点とする光軸方向座標、nは測定対象物の屈折率、wはビームウエスト半径である。上式に示されるように、ガウシアンビームでは光軸方向にスポット径が変化するので、前記式[数11]におけるビーム断面積Aを次式の実効ビーム断面積Aeffに置き換える必要がある。 Here, z is the optical axis direction coordinate with the spot position as the origin, n is the refractive index of the measurement object, and w 0 is the beam waist radius. As shown in the above equation, since the spot diameter changes in the optical axis direction in the Gaussian beam, it is necessary to replace the beam cross-sectional area A in the above equation [Equation 11] with the effective beam cross-sectional area A eff of the following equation.

上式よりw→0またはL→∞のとき反射率は最大となって理想的であるが、実際にはLは測定対象によって制限されており、wも有限値をとるため、理想的な場合に比べて反射率が低下する。 From the above formula, when w 0 → 0 or L → ∞, the reflectivity is maximum and ideal, but in reality, L is limited by the object to be measured, and w 0 also takes a finite value, so it is ideal. Compared with the case, the reflectance decreases.

眼底細動脈303を測定対象とする場合、相互作用長Lは約100μm、屈折率nは約1.41であるので、反射率の低下率は図6(b)のようになる。図6(b)より、スポット半径を3.0μm以下とするのが好ましく、それによって反射率の低下率(=最大値からの低下幅/最大値)を50%以下に抑えることができる。   When the fundus arteriole 303 is the measurement target, the interaction length L is about 100 μm and the refractive index n is about 1.41, so the rate of decrease in reflectance is as shown in FIG. As shown in FIG. 6B, the spot radius is preferably set to 3.0 μm or less, whereby the reduction rate of the reflectance (= the reduction width from the maximum value / maximum value) can be suppressed to 50% or less.

また、このように小さなスポット半径を実現するためには、補償光学系60を用いることが好ましい。
文献:B. Hermann, et al., Opt. Lett. Vol. 29, pp. 2142-2144, (2004). に示されているように、補償光学系を用いない場合は、水晶体301や光学系の収差のためにスポット直径が15〜20μm以上となることが多いが、補償光学系60を用いることによって、5〜10μmに改善される。
補償光学系60は、測定対象30からの散乱光を分岐する半透鏡603、散乱光の波面を測定する波面センサ602、励起光の波面を変調するデフォーマブルミラー601と、波面センサ602の測定結果が平坦波面となるようにデフォーマブルミラー601を制御する制御信号604からなる。
In order to realize such a small spot radius, it is preferable to use the compensation optical system 60.
Reference: B. Hermann, et al., Opt. Lett. Vol. 29, pp. 2142-2144, (2004). When the adaptive optics system is not used, the lens 301 and the optical system are used. In many cases, the spot diameter is 15 to 20 μm or more due to the above aberration, but the compensation optical system 60 improves the spot diameter to 5 to 10 μm.
The compensation optical system 60 includes a semi-transparent mirror 603 that branches scattered light from the measurement object 30, a wavefront sensor 602 that measures the wavefront of the scattered light, a deformable mirror 601 that modulates the wavefront of the excitation light, and the measurement results of the wavefront sensor 602. Is composed of a control signal 604 for controlling the deformable mirror 601 so that becomes a flat wavefront.

本発明では、スポット位置(照射位置)における弾性・粘性を測定するのと共に、測定対象物内の基準点に対するスポットの位置を測定する。それにより、生体を測定対象とした場合においても、拍動などの動きによって測定精度が低下するのを防ぐことができる。   In the present invention, the elasticity and viscosity at the spot position (irradiation position) are measured, and the position of the spot with respect to the reference point in the measurement object is measured. Thereby, even when a living body is used as a measurement target, it is possible to prevent a decrease in measurement accuracy due to movement such as pulsation.

弾性・粘性の測定はスペクトル解析器40によって行われ、スポット位置測定は照射位置測定器50によって行われる。測定結果は計算機407で処理され、2次元画像又は3次元画像としてディスプレイ70に表示される。   Elasticity / viscosity is measured by the spectrum analyzer 40, and spot position measurement is performed by the irradiation position measuring device 50. The measurement result is processed by the computer 407 and displayed on the display 70 as a two-dimensional image or a three-dimensional image.

スペクトル解析器40は、捕捉された散乱光を光電変換すると共に該散乱光のスペクトルを測定するもので、ブリルアン散乱光を抽出する光フィルタ401、この光フィルタ401で抽出されたブリルアン散乱光のパワーを測定する光検出器402、同期信号102を検出して光検出器402による測定値と共にデータ信号405として記憶装置404に記憶させる同期検出器403と、記憶装置404及び計算機407を有する。
光フィルタ401は透過波長を可変とし、その透過波長を変えることによってブリルアン散乱光のスペクトルを抽出する。散乱光は、光路上の半透鏡103aを経由して光フィルタ401に入射する。
記憶装置404は、照射位置ごとに異なる記憶領域を有し、散乱光のスペクトルのパワーを積算して記憶する。
計算機407は、記憶装置404に蓄積された散乱光のスペクトルからブリルアン周波数シフトとブリルアン線幅とを計算する。
The spectrum analyzer 40 photoelectrically converts the captured scattered light and measures the spectrum of the scattered light. An optical filter 401 for extracting the Brillouin scattered light, and the power of the Brillouin scattered light extracted by the optical filter 401. , A synchronization detector 403 which detects the synchronization signal 102 and stores it in the storage device 404 as a data signal 405 together with a measurement value by the photodetector 402, a storage device 404 and a computer 407.
The optical filter 401 makes the transmission wavelength variable, and extracts the spectrum of the Brillouin scattered light by changing the transmission wavelength. Scattered light enters the optical filter 401 via the semi-transparent mirror 103a on the optical path.
The storage device 404 has a different storage area for each irradiation position, and accumulates and stores the spectrum power of the scattered light.
The calculator 407 calculates the Brillouin frequency shift and the Brillouin line width from the spectrum of the scattered light accumulated in the storage device 404.

照射位置測定器50は、眼底302の画像を撮影すると共に励起光の照射位置を測定するカメラ501、その撮影のためのガイド光源502、光学系20と測定対象30の間の距離を測定するレーザ測距器503、散乱光を検出する光検出器504、後述の処理を行う計算機505を備える。
ガイド光源502から照射されたガイド光は、光路上に配設した半透鏡103bを経由して励起光101に合波する。カメラ501で撮像する眼底の画像は、光路上に配設した半透鏡103cを経由してカメラ501に入射する。レーザ測距器503で距離測定を行うためのレーザ光は、光路上に配設した半透鏡103dを経由してレーザ測距器503に入射する。光検出器504に入射する散乱光は、光路上に配設した半透鏡103eを経由して光検出器504に入射する。
計算機505は、カメラ501で撮影された画像から測定対象の特徴点を抽出する画像処理手段を有する。また、計算機505は、散乱光のパワーの光軸方向分布から深さ方向の基準点を検出する手段を有する。
The irradiation position measuring device 50 captures an image of the fundus 302 and measures the irradiation position of the excitation light, a guide light source 502 for the imaging, and a laser that measures the distance between the optical system 20 and the measurement target 30. A range finder 503, a photodetector 504 that detects scattered light, and a calculator 505 that performs processing described later.
The guide light emitted from the guide light source 502 is combined with the excitation light 101 via the semi-transparent mirror 103b disposed on the optical path. The fundus image captured by the camera 501 enters the camera 501 via the semi-transparent mirror 103c disposed on the optical path. Laser light for measuring the distance by the laser distance measuring device 503 is incident on the laser distance measuring device 503 via the semi-transparent mirror 103d disposed on the optical path. Scattered light incident on the photodetector 504 enters the photodetector 504 via the semi-transparent mirror 103e disposed on the optical path.
The computer 505 includes image processing means for extracting feature points to be measured from an image photographed by the camera 501. The computer 505 has means for detecting a reference point in the depth direction from the distribution of scattered light power in the optical axis direction.

測定のシーケンスは図7に示される。
第1に、照射位置測定器50の中のカメラ501によって眼底302の画像が撮影される(第1ステップ:S1)。
The measurement sequence is shown in FIG.
First, an image of the fundus 302 is taken by the camera 501 in the irradiation position measuring device 50 (first step: S1).

第2に、計算機505の画像処理手段によって眼底画像から特徴点を抽出し、その特徴点を用いてxy座標を定義する(第2ステップ:S2)。
特徴点としては、視神経乳頭もしくは眼底血管の分岐点を選択することが好ましい。これらの特徴点は経時変動が小さく誤認識の可能性も低いので、期間をおいて繰り返し測定する場合にも再現性が高いため、経過観察や治療評価への応用に適している。特徴点は3点以上抽出することが好ましく、特徴点を頂点とする多角形の内部にスポット位置が存在するように選択することが好ましい。それにより、測定対象部位の変位が空間的に一様で無い場合でもスポット位置を高い精度で測定することができる。
Second, feature points are extracted from the fundus image by the image processing means of the computer 505, and xy coordinates are defined using the feature points (second step: S2).
As a feature point, it is preferable to select a branch point of the optic disc or fundus blood vessel. Since these feature points have little temporal variation and low possibility of misrecognition, they are suitable for application to follow-up observation and treatment evaluation because they are highly reproducible even when repeated measurement is performed over a period of time. It is preferable to extract three or more feature points, and it is preferable to select such that spot positions exist inside a polygon having the feature points as vertices. Thereby, the spot position can be measured with high accuracy even when the displacement of the measurement target region is not spatially uniform.

第3に、測定対象とする部位を選択する(第3ステップ:S3)。
これは診断の目的により、動脈、静脈やその周囲の神経組織を選択することができる。
Third, a region to be measured is selected (third step: S3).
According to the purpose of diagnosis, an artery, a vein, or a surrounding nerve tissue can be selected.

第4に、弾性散乱(レイリー散乱)強度の深さ方向(z'方向)分布を測定する(第4ステップ:S4)。
弾性散乱(レイリー散乱)は測定対象から発する散乱光パワーの大きな割合を占めるので、散乱光を光検出器504で測定することによって弾性散乱(レイリー散乱)強度を測定できる。また、深さ方向分布は光学系20の可動レンズ202を動かすことによって測定することができる。
Fourth, the depth direction (z ′ direction) distribution of the elastic scattering (Rayleigh scattering) intensity is measured (fourth step: S4).
Since elastic scattering (Rayleigh scattering) occupies a large proportion of the scattered light power emitted from the measurement object, the intensity of elastic scattering (Rayleigh scattering) can be measured by measuring the scattered light with the photodetector 504. Further, the depth direction distribution can be measured by moving the movable lens 202 of the optical system 20.

第5に、弾性散乱(レイリー散乱)強度の深さ方向分布から深さ方向の基準点を抽出する(第5ステップ:S5)。
深さ方向の基準点としては、網膜表面や血管内表面、網膜、色素上皮界面を選ぶことが好ましく、散乱強度のコントラストが高いため基準点の測定再現性が高い。ここで、深さ方向分布を表現するのに用いられているz'座標は可動レンズ202の位置に基づいている。この測定により、光学系の座標z'と組織(網膜や血管など)との対応関係を得ることができる。
Fifth, a reference point in the depth direction is extracted from the distribution in the depth direction of the elastic scattering (Rayleigh scattering) intensity (fifth step: S5).
As the reference point in the depth direction, it is preferable to select the retinal surface, the inner surface of the blood vessel, the retina, or the pigment epithelium interface. Since the contrast of the scattering intensity is high, the measurement reproducibility of the reference point is high. Here, the z ′ coordinate used to express the depth direction distribution is based on the position of the movable lens 202. By this measurement, the correspondence between the coordinate z ′ of the optical system and the tissue (retina, blood vessel, etc.) can be obtained.

但し、測定対象が測定中に動きうる場合は、上記の情報に加えて動きの情報を取得し、動きの影響を補正する必要がある。
そこで、第6に、光学系と測定対象の間の距離を、レーザ測距器503で測定し(第6ステップ:S6)、この値をzとする。さらに後述のように、測定中にも光学系と測定対象の間の距離zを測定することにより、測定対象の動き(z−z)の情報を取得できる。この値をz’にオフセットとして加えることにより、動きに影響されない測定対象座標を得ることができる。レーザ測距器503は短時間での測定が可能なので、このような動きの補正への使用に適している。
However, if the measurement object can move during the measurement, it is necessary to acquire movement information in addition to the above information and correct the influence of the movement.
Therefore, the sixth, the distance between the measuring object and the optical system, measured by the laser range finder 503 (sixth step: S6), this value and z 0. Further, as will be described later, by measuring the distance z between the optical system and the measurement object during measurement, it is possible to obtain information on the movement (z−z 0 ) of the measurement object. By adding this value to z ′ as an offset, it is possible to obtain measurement target coordinates that are not affected by movement. Since the laser distance measuring device 503 can measure in a short time, it is suitable for use in correcting such movement.

第7に、ここまでのステップで定義された測定対象座標を用いて目標スポット位置を設定する(第7ステップ:S7)。   Seventh, a target spot position is set using the measurement target coordinates defined in the steps so far (seventh step: S7).

第8に、カメラ501で眼底を撮影してスポット位置と特徴点の位置を測定し、スポットのxy位置を測定する(第8ステップ:S8)。
このとき、波長700〜1000nmのガイド光源502を励起光101に合波してガイド光源502のスポット位置を測定することが好ましい。それにより、高い感度を低いコストで実現可能なシリコンを受光素子としたカメラ501を使用することができる。
Eighth, the fundus is photographed by the camera 501, the spot position and the feature point position are measured, and the xy position of the spot is measured (eighth step: S8).
At this time, it is preferable to measure the spot position of the guide light source 502 by multiplexing the guide light source 502 having a wavelength of 700 to 1000 nm with the excitation light 101. Accordingly, it is possible to use a camera 501 using silicon as a light receiving element that can realize high sensitivity at low cost.

第9に、レーザ測距器503を用いて光学系20と測定対象30の間の距離(z)を測定する(第9ステップ:S9)。   Ninth, the distance (z) between the optical system 20 and the measuring object 30 is measured using the laser distance measuring device 503 (9th step: S9).

第10に、測定結果と目標位置を比較する(第10ステップ:S10)。
差異があれば第8ステップ:S8のスポット位置調整にフィードバックしてスポット位置をリアルタイムに修正する(S10’)。
Tenth, the measurement result is compared with the target position (tenth step: S10).
If there is a difference, the eighth step: feedback to the spot position adjustment in S8 to correct the spot position in real time (S10 ').

第11に散乱光スペクトルをスペクトル解析器40で測定する(第11ステップ:S11)。   Eleventh, the scattered light spectrum is measured by the spectrum analyzer 40 (11th step: S11).

第12にそのスペクトルを記憶装置404に蓄積する(第12ステップ:S12)。
ここで蓄積するための記憶領域はスポット位置毎に割り当てられ、第9ステップ:S9で測定されたスポット位置に従って蓄積する。スペクトル測定は原理的には1つのパルスによって行うことができるが、実際には自然ブリルアン散乱の低い信号レベルのため、多数のパルスによる測定結果を蓄積してSN比を改善することが望ましい。このとき仮に測定対象の動きによってスポット位置が所期の位置から変わったとしても、位置をリアルタイムで測定して位置毎に割り当てられた記憶装置404の記憶領域に蓄積を行うことによって、動きによる測定精度低下を抑制することができる。
12th, the spectrum is accumulate | stored in the memory | storage device 404 (12th step: S12).
The storage area for accumulation here is allocated for each spot position, and accumulation is performed according to the spot position measured in the ninth step: S9. Although the spectrum measurement can be performed by one pulse in principle, in practice, it is desirable to improve the S / N ratio by accumulating the measurement results of a large number of pulses because of the low signal level of natural Brillouin scattering. At this time, even if the spot position changes from the intended position due to the movement of the measurement object, the position is measured in real time by measuring the position in real time and accumulating it in the storage area of the storage device 404 allocated for each position. A decrease in accuracy can be suppressed.

第13に、光フィルタ401で抽出したスペクトルから周波数シフトおよび線幅を計算機407で算出する(第13ステップ:S13)。
スペクトル解析器40では可変の光フィルタ401によってブリルアン散乱光を抽出し、そのパワーを光検出器402で測定し、フィルタの透過波長を変えることによってブリルアン散乱光のスペクトルを抽出する。
Thirteenth, the frequency shift and the line width are calculated by the calculator 407 from the spectrum extracted by the optical filter 401 (13th step: S13).
In the spectrum analyzer 40, the Brillouin scattered light is extracted by the variable optical filter 401, the power thereof is measured by the photodetector 402, and the spectrum of the Brillouin scattered light is extracted by changing the transmission wavelength of the filter.

他のスペクトル測定方式として、光ヘテロダイン検出や角度分散型分光器も用いることができる。測定対象物の動きによってスペクトル測定中にスポットの相対位置(測定対象を基準とした位置)が変化しうるが、照射位置測定器50によって測定されたスポットの相対位置を記憶アドレスに対応させ、散乱光パワーに対応するデータ信号405をスポット位置毎に積算することにより、動きによる測定精度低下を防ぐことができる。
また、フィルタの透過波長もアドレスに対応させることにより、スペクトル情報を記録することができる。
As another spectrum measurement method, optical heterodyne detection or an angular dispersion spectrometer can also be used. Although the relative position of the spot (position with respect to the measurement object) can change during spectrum measurement due to the movement of the measurement object, the relative position of the spot measured by the irradiation position measuring device 50 is made to correspond to the storage address and scattered. By accumulating the data signal 405 corresponding to the optical power for each spot position, it is possible to prevent a decrease in measurement accuracy due to movement.
Further, spectrum information can be recorded by making the transmission wavelength of the filter correspond to the address.

また、測定対象である生体に取付けられた心電計80から得られる拍動信号をアドレス信号406cとし、拍動の位相毎に散乱光パワーを記録しても良く、それによって拍動の影響を簡便に補償することができる。   Further, the pulsation signal obtained from the electrocardiograph 80 attached to the living body to be measured may be the address signal 406c, and the scattered light power may be recorded for each pulsation phase, thereby affecting the influence of the pulsation. It can be easily compensated.

また、能動的に照射位置を変えて測定することにより、弾性および粘性の空間分布の測定も可能となる。このとき、積算時間をTとすると、照射位置毎に時間Tの積算を次々と行う方式(図8(a))よりも、mを整数として時間T/mでの積算を各々の照射位置で行うことを一単位として、これをm単位行う方式(図8(b))が好ましい。いずれの方式とも積算時間はTであるので、SN比を与える前記式[数6]における帯域幅Δfは等しいが、図8(a)の場合は露光時間がTの時の許容励起光パワーが適用されるのに対し、図8(b)の場合は露光時間がT/mの時の許容励起光パワーが適用される。   In addition, the spatial distribution of elasticity and viscosity can be measured by actively changing the irradiation position. At this time, assuming that the integration time is T, the integration at time T / m is set at each irradiation position, where m is an integer, as compared to the method of successively integrating the time T for each irradiation position (FIG. 8A). A method of performing this as m units (FIG. 8B) is preferable. In any method, since the integration time is T, the bandwidth Δf in the equation [6] giving the S / N ratio is the same, but in the case of FIG. 8A, the allowable excitation light power when the exposure time is T is In contrast, in the case of FIG. 8B, the allowable excitation light power when the exposure time is T / m is applied.

図9は繰り返し周波数が50kHz、波長が1060nmの時の許容励起光パワーを露光時間の関数として示す。許容励起光パワーを高くしてSN比を高くするためには、露光時間は短いことが好ましく、従って上記のmが大きいことが好ましい。一方、時間T/m毎に照射位置を調整する必要があるため、T/mは照射位置調整機構の動作時間と同程度かそれ以上であることにより、位置調整のためのオーバーヘッドを低減することができるので好ましい。典型的な位置調整はモータで駆動された鏡またはレンズによって行わるため、T/m=1〜100msが好ましい。   FIG. 9 shows the allowable excitation light power as a function of exposure time when the repetition frequency is 50 kHz and the wavelength is 1060 nm. In order to increase the allowable excitation light power and increase the S / N ratio, it is preferable that the exposure time is short, and therefore m is preferably large. On the other hand, since it is necessary to adjust the irradiation position every time T / m, T / m is equal to or longer than the operation time of the irradiation position adjusting mechanism, thereby reducing the overhead for position adjustment. Is preferable. Since typical position adjustment is performed by a mirror or lens driven by a motor, T / m = 1 to 100 ms is preferable.

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は本例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。   The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this example, and it goes without saying that various modifications are possible within the scope of the technical idea described in the claims. Yes.

本発明に係る弾性粘性測定装置の実施形態の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of embodiment of the elastic-viscosity measuring apparatus which concerns on this invention. 目に入射するレーザ光の最大許容露光量(MPE)に関するJIS C6802からの抜粋。Extract from JIS C6802 regarding the maximum allowable exposure (MPE) of laser light incident on the eye. 許容励起光パワーのパルス幅および繰り返し周波数に対する依存性を示すグラフで、(a)は波長800nmにおける依存性、図3(b)は1060nmにおける依存性を示す。It is a graph which shows the dependence with respect to the pulse width and repetition frequency of permissible excitation light power, (a) shows the dependence in wavelength 800nm, FIG.3 (b) shows the dependence in 1060nm. 繰り返し周波数を50kHz以上とした場合の許容パワーPの波長λに対する関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship with respect to wavelength (lambda) of the allowable power P when a repetition frequency shall be 50 kHz or more. 繰り返し周波数fとパルス幅τに関する好ましい範囲を示すグラフ。The graph which shows the preferable range regarding the repetition frequency fr and pulse width (tau). (a)動脈壁を測定対象とした場合の励起光ビームと測定対象の配置を模式的に示す図、(b)眼底細動脈を測定対象とする場合のスポット半径に対する反射率低下率を示すグラフ。(A) The figure which shows typically the arrangement | positioning of an excitation light beam and a measurement object at the time of making an arterial wall into a measurement object, (b) The graph which shows the reflectance fall rate with respect to the spot radius at the time of making a fundus arteriole into a measurement object . 図1の弾性粘性測定装置による測定のシーケンスを示すフローチャート。The flowchart which shows the sequence of a measurement by the elastic viscosity measuring apparatus of FIG. 能動的に照射位置を測定する場合の測定位置と励起光パルスの関係を示すタイムチャートで、(a)は照射位置毎に時間Tの積算を次々と行う方式、(b)はmを整数として時間T/mでの積算を各々の照射位置で行うことを一単位としてこれをm単位行う方式をそれぞれ示す。It is a time chart which shows the relationship between the measurement position in the case of measuring an irradiation position actively, and an excitation light pulse, (a) is the system which accumulates time T one after another for every irradiation position, (b) makes m an integer. A method of performing integration in units of m, where the integration at time T / m is performed at each irradiation position as one unit is shown. 繰り返し周波数が50kHz、波長が1060nmの時の許容励起光パワーを露光時間の関数として示すグラフ。The graph which shows the allowable excitation light power when a repetition frequency is 50 kHz and a wavelength is 1060 nm as a function of exposure time.

符号の説明Explanation of symbols

10:レーザ光源
20:光学系
30:測定対象
40:スペクトル解析器(スペクトル解析手段)
50:照射位置測定器(集光位置測定手段)
60:補償光学系
70:ディスプレイ(画像処理手段)
80:心電計
201a,201b:可動鏡(集光位置移動手段)
202:可動レンズ(集光位置移動手段)
404:記憶装置(記憶手段)
407:計算機
505:計算機(画像処理手段を含む)
501:カメラ(撮像手段)
602:波面センサ(波面測定手段)
10: Laser light source 20: Optical system 30: Measurement target 40: Spectrum analyzer (spectrum analysis means)
50: Irradiation position measuring device (condensing position measuring means)
60: adaptive optics system 70: display (image processing means)
80: electrocardiographs 201a, 201b: movable mirror (condensing position moving means)
202: Movable lens (condensing position moving means)
404: Storage device (storage means)
407: Computer 505: Computer (including image processing means)
501: Camera (imaging means)
602: Wavefront sensor (wavefront measuring means)

Claims (10)

励起光を発生させる励起レーザ光源と、
測定対象の集光位置に励起光を集光させると共に前記測定対象で発生した散乱光を捕捉する光学系と、
捕捉された前記散乱光のスペクトルを測定すると共に前記スペクトルからブリルアン周波数シフト又はブリルアン線幅の少なくとも一方を算出するスペクトル解析手段とを備えた弾性粘性測定装置であって、
前記励起光は周期的な光パルス列であり、前記散乱光は前記光パルス列に同期して検出されることを特徴とする弾性粘性測定装置。
An excitation laser light source for generating excitation light;
An optical system that collects the excitation light at the collection position of the measurement target and captures the scattered light generated in the measurement target;
An elastic viscosity measuring device comprising a spectrum analyzing means for measuring a spectrum of the scattered light that has been captured and calculating at least one of a Brillouin frequency shift or a Brillouin line width from the spectrum,
The elastic viscosity measuring apparatus, wherein the excitation light is a periodic optical pulse train, and the scattered light is detected in synchronization with the optical pulse train.
前記励起光の集光位置を測定する集光位置測定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項1記載の弾性粘性測定装置。   2. The elastic viscosity measuring apparatus according to claim 1, further comprising a condensing position measuring unit that measures a condensing position of the excitation light. 前記スペクトル解析手段は、前記散乱光のスペクトルのパワーを積算して前記集光位置ごとに異なる記憶領域に記憶する記憶手段を有し、
前記集光位置測定手段は、測定対象の動きによる集光位置の変化を測定するものであり、
前記集光位置測定手段により測定された集光位置に対応した前記記憶手段の記憶領域に、測定された散乱光のスペクトルのパワーを積算して記憶することを特徴とする請求項2記載の弾性粘性測定装置。
The spectrum analysis means has storage means for accumulating the power of the spectrum of the scattered light and storing it in a different storage area for each condensing position,
The condensing position measuring means measures a change in the condensing position due to the movement of the measurement object,
3. The elasticity according to claim 2, wherein the spectrum power of the measured scattered light is accumulated and stored in a storage area of the storage unit corresponding to the condensing position measured by the condensing position measuring unit. Viscosity measuring device.
複数の集光位置からの散乱光をほぼ同時に検出する弾性粘性測定装置であって、
前記光学系は、前記励起光を複数の集光位置に時分割で集光させ、
前記スペクトル解析手段は、各々の集光位置からの散乱光のスペクトルのパワーを各々積算することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。
An elastic viscosity measuring device that detects scattered light from a plurality of condensing positions almost simultaneously,
The optical system condenses the excitation light at a plurality of condensing positions in a time-sharing manner,
4. The elastic viscosity measuring device according to claim 1, wherein the spectrum analyzing unit integrates the power of the spectrum of scattered light from each condensing position.
前記集光位置における励起光のスポット半径が3μm以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。   5. The elastic viscosity measuring apparatus according to claim 1, wherein a spot radius of the excitation light at the condensing position is 3 μm or less. 前記測定対象からの散乱光の波面を測定する波面測定手段と、
前記励起光の波面を調整する補償光学系とを備え、
前記波面測定手段により測定される波面が平坦となるように前記補償光学系を制御することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。
Wavefront measuring means for measuring the wavefront of scattered light from the measurement object;
An adaptive optics system for adjusting the wavefront of the excitation light,
6. The elastic viscosity measuring apparatus according to claim 1, wherein the adaptive optics system is controlled so that a wavefront measured by the wavefront measuring unit becomes flat.
前記測定対象の画像を撮影すると共に、前記励起光の集光位置を測定する撮像手段と、
前記画像から前記測定対象の特徴点を抽出する画像処理手段とを有し、
前記特徴点に基づき集光位置を移動させることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。
An imaging means for taking an image of the measurement object and measuring a condensing position of the excitation light;
Image processing means for extracting feature points of the measurement object from the image,
The elastic viscosity measuring device according to claim 1, wherein the condensing position is moved based on the feature point.
前記光学系と前記測定対象の間の光軸方向距離を測定する距離測定手段と、
前記散乱光のパワーの光軸方向分布から深さ方向の基準点を抽出する計算機を備えることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。
Distance measuring means for measuring a distance in the optical axis direction between the optical system and the measurement object;
The elastic viscosity measuring apparatus according to claim 1, further comprising a calculator that extracts a reference point in the depth direction from the distribution of power of the scattered light in the optical axis direction.
前記測定対象は眼底血管であり、
前記眼底血管からの散乱光スペクトルのブリルアン周波数シフト又はブリルアン線幅の少なくとも一方を健常者の測定値と比較する手段を有することを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。
The measurement object is a fundus blood vessel,
The elastic viscosity measurement according to any one of claims 1 to 8, further comprising means for comparing at least one of a Brillouin frequency shift and a Brillouin line width of a scattered light spectrum from the fundus blood vessel with a measurement value of a healthy person. apparatus.
前記励起光は、繰り返し周波数をf[kHz]、パルス幅をt[ns]、波長をλ[nm]、平均パワーをP[dBm]として、
f>50
t>0.28
700<λ<1100
P<0.02(λ−700)−1.6
P<5.4
の全ての条件を満たすことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の弾性粘性測定装置。
The excitation light has a repetition frequency of f [kHz], a pulse width of t [ns], a wavelength of λ [nm], and an average power of P [dBm].
f> 50
t> 0.28
700 <λ <1100
P <0.02 (λ−700) −1.6
P <5.4
The elastic viscosity measuring device according to claim 1, wherein all of the conditions are satisfied.
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